EP1560644A1 - Dosing device - Google Patents

Dosing device

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EP1560644A1
EP1560644A1 EP03769195A EP03769195A EP1560644A1 EP 1560644 A1 EP1560644 A1 EP 1560644A1 EP 03769195 A EP03769195 A EP 03769195A EP 03769195 A EP03769195 A EP 03769195A EP 1560644 A1 EP1560644 A1 EP 1560644A1
Authority
EP
European Patent Office
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dosing device
swirl
metering
fuel
opening
Prior art date
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Application number
EP03769195A
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German (de)
French (fr)
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EP1560644B1 (en
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Frank Miller
Hartmut Albrodt
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Application granted granted Critical
Publication of EP1560644B1 publication Critical patent/EP1560644B1/en
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    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J4/00—Feed or outlet devices; Feed or outlet control devices
    • B01J4/001—Feed or outlet devices as such, e.g. feeding tubes
    • B01J4/002—Nozzle-type elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/26—Nozzle-type reactors, i.e. the distribution of the initial reactants within the reactor is effected by their introduction or injection through nozzles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J4/00—Feed or outlet devices; Feed or outlet control devices
    • B01J4/02—Feed or outlet devices; Feed or outlet control devices for feeding measured, i.e. prescribed quantities of reagents
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23D11/38—Nozzles; Cleaning devices therefor
    • F23D11/383—Nozzles; Cleaning devices therefor with swirl means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B1/00—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means
    • B05B1/34—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl
    • B05B1/3405—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl to produce swirl
    • B05B1/341—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl to produce swirl before discharging the liquid or other fluent material, e.g. in a swirl chamber upstream the spray outlet
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    • B05B1/3431—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl to produce swirl before discharging the liquid or other fluent material, e.g. in a swirl chamber upstream the spray outlet with channels emerging substantially tangentially in the swirl chamber the channels being formed at the interface of cooperating elements, e.g. by means of grooves
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/18—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control
    • F01N3/20—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by methods of operation; Control specially adapted for catalytic conversion ; Methods of operation or control of catalytic converters
    • F01N3/2006—Periodically heating or cooling catalytic reactors, e.g. at cold starting or overheating
    • F01N3/2033—Periodically heating or cooling catalytic reactors, e.g. at cold starting or overheating using a fuel burner or introducing fuel into exhaust duct
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/162—Means to impart a whirling motion to fuel upstream or near discharging orifices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/9901—Combustion process using hydrogen, hydrogen peroxide water or brown gas as fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2213/00—Burner manufacture specifications

Definitions

  • the invention is based on a metering device according to the preamble of the main claim.
  • chemical reformers are used to obtain the required hydrogen from hydrocarbon-containing fuels such as gasoline, ethanol or methanol.
  • Catalytic burners and afterburners are used to generate heat, especially in cold start phases.
  • All substances required by the reformer for the reaction process are ideally supplied to the reaction area in a gaseous or at least atomized state.
  • the fuel such as methanol or gasoline, and water are preferably present, 'on board of the transport system in liquid form, they must first just before they reach the reaction region of the reformer, are prepared. This requires, for example, a metering device which is able to provide the corresponding amounts of fuel or other substances in a finely atomized form.
  • the temperature required for the chemical reaction in which, for example, the fuel is reformed into hydrogen, among other things, is provided by so-called cat burners or afterburners.
  • Cat burners are components that have surfaces coated with a catalyst. The fuel / air mixture is converted into heat and exhaust gases in these catalytic burners, the heat generated being conducted, for example, to the corresponding components, such as the chemical reformer or an evaporator, via the jacket surfaces and / or the warm exhaust gas flow.
  • Fuel droplets is wetted, the more completely the fuel is converted into heat and the higher the
  • the chemical reformers Since the hydrogen is usually consumed immediately, the chemical reformers must be able to delay the production of hydrogen, e.g. to adapt to demand in the event of load changes or starting phases. Additional measures must be taken, especially in the cold start phase, since the reformer does not provide any waste heat. Conventional vaporizers are unable to produce the corresponding amounts of gaseous reactants without delay.
  • US 3,971,847 discloses devices for metering fuels into reformers.
  • the fuel is metered here from metering devices, which are relatively far from the reformer, via long metering lines and a simple nozzle into a temperature-controlled material flow.
  • the fuel first strikes baffles, which are arranged after the outlet opening of the nozzle, which are intended to cause swirling and distribution of the fuel, and then reaches the reaction area of the reformer via a relatively long evaporation path, which is necessary for the evaporation process.
  • the metering device can be isolated from thermal influences of the reformer by the long metering line.
  • a disadvantage of the devices known from the abovementioned publication is, in particular, that the atomization of the fuel takes place insufficiently below the operating temperature of the reformer, for example in a cold start phase, and the metering device is constructed in a very complex and space-consuming manner. Due to the resulting relatively small reaction area between fuel and oxidant, the combustion or chemical reaction takes place slowly and mostly also incompletely. The efficiency drops significantly and the pollutant emissions increase disadvantageously. Incomplete combustion or an incomplete chemical reaction usually leads to the formation of aggressive chemical compounds, which can damage the chemical reformer or the afterburner Deposits that can impair the function. The complex and space-consuming construction in the nozzle area, where the atomization takes place, leads to high manufacturing and operating costs, in particular as a result of poorer ease of installation and greater susceptibility to errors.
  • the speed of propagation, the geometric shape and the swirl formation of the fuel cloud generated by the nozzle and the baffle plates can only be influenced to a very insufficient extent.
  • the metering device according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage that the atomization and distribution of the fuel of the fuel-gas mixture is improved significantly 'or.
  • the speed of propagation, the swirl formation and the geometric shape of the fuel cloud or the fuel-gas mixture cloud in the combustion chamber or metering chamber can advantageously be determined.
  • the cold start phase can be significantly shortened and the efficiency of the afterburner or the chemical reformer can be significantly increased even during the cold start phase.
  • the pollutant emissions are significantly reduced.
  • the metering device according to the invention also makes it possible to manufacture the metering device very simply, reliably and cost-effectively. In addition, standardized mass-produced components can be used.
  • the nozzle body has an upstream Supply pipe and a downstream support element, both of which are tubular, in particular cylindrical, and are connected to one another hydraulically tight by welding or laser welding.
  • both parts can be produced easily and therefore cost-effectively and can be produced cost-effectively separately according to the respective requirement.
  • the swirl insert with the carrier element is hydraulically sealed, in particular by pressing, welding or laser welding. This enables particularly firm, reliable and cost-effective joining connections to be made.
  • the swirl insert has a seat element having at least one spray opening and a swirl element.
  • the parts of the swirl insert can be easily and inexpensively adapted to different loads and conditions.
  • the swirl element in the form of a disk. This makes it particularly easy to edit.
  • the swirl element advantageously has a continuous opening through which the swirl development and swirl formation can be advantageously influenced.
  • the metering device according to the invention can also be developed by joining the swirl element to the seat element by welding or laser welding. This enables cost-effective production steps and reliable and firm joining connections to be realized.
  • the swirl element can be spaced from the seat element in order to advantageously influence the swirl properties.
  • the swirl element is advantageously arranged at a distance from the wall of the carrier element. As a result, the fuel can flow into the swirl element unhindered and also from the side of the wall of the carrier element, in particular to increase the swirl formation.
  • the opening of the swirl element is advantageously at least partially closed with an insert.
  • the swirl properties can be further improved or adapted to the respective conditions and requirements.
  • the insert is advantageously also connected to the swirl element by welding or laser welding.
  • the opening also has an opening longitudinal axis, which has a directional component lying in the direction of flow of the fuel or the fuel-gas mixture.
  • the swirl element advantageously has at least one swirl channel which has a radial and tangential directional component with respect to the longitudinal axis of the opening.
  • the adapter connecting the metering line and the metering device has an air supply, the air supply in the adapter being connected to the metering line.
  • the mixture preparation can already be initiated in the metering line, the fuel and / or the metered gas being mixed into the metering line being mixed with air.
  • the atomization and mixture formation of fuel and / or the measured gas with air is thereby improved overall.
  • the metering line can be freed from unwanted fuel or gas residues by the air supply, for example by supplying air through the air supply, before a stop or idle phase, for example. This can prevent uncontrolled delivery of fuel into the metering room or the environment.
  • a fuel injection valve is advantageously used as the metering device, as it is e.g. is used for reciprocating internal combustion engines.
  • the use of such valves has several advantages. They allow a particularly precise control or regulation of the fuel metering, the metering using several parameters, such as Duty cycle, clock frequency and possibly stroke length can be controlled.
  • the dependence on the pump pressure is far less pronounced than in metering devices which control the volume flow of the fuel via the line cross section and the metering range is significantly larger.
  • the fuel injectors are well-proven, well-known in their behavior, inexpensive, chemically stable and reliable components compared to the fuels used, this being particularly true for so-called low-pressure fuel injectors, which can be used well here due to the thermal decoupling through the metering line.
  • the metering line advantageously has a number of points with reduced wall thickness, which reduce the thermal conductivity of the metering line or can also serve as a heat sink.
  • the multi-part construction of the dosing device enables cost-effective production and the use of standardized components.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a first exemplary embodiment of a metering device according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of the nozzle body of the first embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a swirl element of the first exemplary embodiment
  • FIG. 4 shows a schematic sectional illustration of the nozzle body of a second exemplary embodiment
  • Fig. 5 is a schematic sectional view of the nozzle body of a third embodiment.
  • Exemplary embodiments of the invention are described below by way of example.
  • the exemplary embodiments of the metering device shown are particularly suitable for metering and conditioning liquid fuels and air into a hollow cylinder of a chemical reformer or an afterburner device with a spray angle of less than 60 °.
  • FIG. 1 An embodiment of a metering device 1 according to the invention shown in FIG. 1 is in the form of a metering device 1 for the use of low-pressure fuel injection valves.
  • Dosing device 1 is particularly suitable for the entry and atomization of fuel or a fuel-gas mixture into a metering space, not shown, of a chemical reformer, not shown, for obtaining Hydrogen or an afterburner, not shown, for generating heat.
  • the metering device 1 consists of a metering device 2, which is designed in this embodiment as a low-pressure fuel injector, an adapter 6 for receiving the metering device 2 and a tubular, for example 10 to 100 cm long metering line 8, an air supply 9 and a nozzle body 7.
  • Die Metering device 2 is tubular and has a fuel connection 13 on its upper side.
  • the metering device 2 has an electrical connection 5 on the side.
  • fuel or a fuel-gas mixture is metered into the metering line 8, the adapter 6 hydraulically sealingly connecting the metering device 2 and the metering line 8 to the outside.
  • the tubular air supply 9 opens into the adapter 6 and is thus connected to the metering line 8.
  • the hollow cylindrical end of the nozzle body 7 facing the metering line 8 is hydraulically tightly connected to the metering line 8 via a hollow cylindrical first connecting element 10.1.
  • the metering line 8 itself consists, for example, of a standardized metal tube made of stainless steel.
  • the metering line 8 is designed in two parts, the part of the metering line 8 facing the adapter 6 being connected by a second connecting element 10.2 to the part of the metering line 8 facing the nozzle body 7.
  • the lower part of the metering device 2 engages in the adapter 6 and is hydraulically tightly connected to the adapter 6 by a fastening element 3 in the form of a clamp.
  • the nozzle body 7 In its spray-side end facing away from the metering line 8, the nozzle body 7 has one in FIG. 2 shown swirl insert 24 with at least one spray opening 14.
  • the metering device 2 is supplied with fuel, for example gasoline, ethanol or methanol, via the fuel connection 13 located on the top of the metering device 2, under pressure from a fuel pump and fuel line, not shown.
  • the fuel flows down during operation of the metering device 1 and is measured into the metering line 8 in a known manner by opening and closing the sealing seat through the sealing seat (not shown) located in the lower end of the metering device 2.
  • Air or other gases for example combustible residual gases from a reforming or fuel cell process, can be supplied through the air supply 9 opening into the metering line 8 via the adapter 6.
  • the fuel or the fuel-gas mixture flows through the metering line 8 to the nozzle body 7, where it is metered into the metering chamber (not shown) in a swirling manner through the spray opening 14 shown in FIG. 2.
  • the air supply 9 can also supply air for controlled emptying of the metering line 8, for example shortly before an idling or stopping phase.
  • the metering device 2 in particular the sealing seat of the metering device 2, which is not shown and is sensitive to high temperatures and large temperature fluctuations, is thermally affected by the temperatures. decoupled in the metering space, not shown, which, for example, is 500 ° C.
  • the length, the material and the shape of the metering line 8 are chosen in particular in accordance with the thermal and spatial conditions.
  • the metering line 8 can preferably also have points with reduced wall thickness, which can contribute to thermal insulation or act as a heat sink.
  • Fig. 2 shows a schematic sectional view of the nozzle body 7 of the first embodiment.
  • the nozzle body 7 consists of a carrier element 15, a feed pipe 17 and the swirl insert 24 arranged downstream in the carrier element 15. All three components 15, 17, 24 mentioned are each cylindrical and concentrically aligned on a longitudinal axis 11 of the nozzle body 7.
  • the joint connection can also be realized by pressing, soldering, welding or a screw connection.
  • the swirl insert 24 located in the lower, downstream end of the carrier element 15 comprises a seat element 4 with the spray opening 14 arranged therein and a swirl element 16 with swirl channels 12 and a centrally arranged opening 25.
  • the seat element 4 and the swirl element 16 are each disc-shaped.
  • the downstream disk underside of the swirl element 16 and the upstream disk top of the seat element 4 rest on one another via an intermediate element 22 and are joined to one another with a fourth weld seam 21, which is produced using a laser welding process.
  • the intermediate element 22 spaces the seat element 4 and the swirl element 16.
  • There is a distance 27 between the sides of the swirl element 16 which face the wall of the carrier element 15 and the walls of the carrier element 15.
  • a longitudinal opening axis 26 of the opening 25 coincides with the longitudinal axis 11 of the nozzle body.
  • the spray opening 14 in the seat element 4 is arranged concentrically with both axes 26, 11.
  • a pin-shaped or cylindrical insert 28 grips through the opening 25 of the swirl element 16 and closes the opening 25.
  • the downstream end of the insert 28 does not rest on the seat element 4. In this way, the fuel or the fuel-gas mixture can only reach the spray opening 14 located downstream of the swirl element 16 through the swirl channels 12 arranged in the swirl element 16.
  • the insert 28 is fastened hydraulically tight along its outer circumference on the upper side of the disk of the swirl element 16 by a third weld 20 on the swirl element 16.
  • the swirl insert 24 is hydraulically sealed to the support element 15 on the seat element 4 by a second weld 19, which is produced by a laser welding process, the second weld 19 running approximately on the outer circumference of the seat element 4.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a swirl element 16 of the first exemplary embodiment from an upstream point lying on the opening longitudinal axis 26.
  • the four swirl channels 12 run in the disk-shaped and circular disk-shaped swirl element 16 with a radial and tangential directional component to the opening longitudinal axis 26 of the opening 25.
  • the fuel or the fuel-gas mixture occurs on the upstream disk top of the swirl element 16 near the outer circumference of the swirl element 16 and on the sides of the swirl element 16 into the swirl channels 12.
  • the fuel or the fuel-gas mixture is then conducted within the swirl element 16 through the swirl channels 12 to the centrally located opening 25, where the fuel exits on the underside of the swirl element 16 near the opening 25 and to the spray opening shown in FIG. 2 14 flows.
  • Fig. 4 shows a schematic sectional view of the nozzle body 7 of a second exemplary embodiment of the metering device 1 according to the invention, similar to that of the 2.
  • the intermediate element 22 is essentially missing.
  • the seat element 4 belonging to the swirl insert 24 has a plurality of spray openings 14 with different angles of inclination.
  • the intermediate element 22 used for spacing the swirl element 16 and the seat element 4 is replaced by a recess 29 arranged centrally in the upstream disk upper side of the seat element 4, the swirl element 16 resting on the ring 30 formed on the disk upper side of the seat element 4.
  • FIG. 5 shows a schematic sectional illustration of the nozzle body 7 of a third exemplary embodiment of the metering device 1 according to the invention, this exemplary embodiment being very similar to that from FIG. 4.
  • the insert 28 is missing.
  • the fuel or the fuel / gas mixture can flow in this way through the opening 25 and through the swirl channels 12 to the spray openings 14.

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Abstract

The invention relates to a dosing device (1) for liquid fuels, especially for feeding fuel into a chemical reformer in order to obtain hydrogen, or into a secondary combustion device in order to produce heat. Said dosing device (1) comprises at least one dosing system (2) for dosing fuel into a dosing line (8), and a nozzle body (7) which is connected to the dosing line (8) and has at least one spray opening (14) into a dosing chamber. Said nozzle body (7) comprises a carrier element (15) which is arranged on the downstream side and provided with a swirl insert (24) which is located on the spray side and contains the at least one spray opening (14).

Description

Dosiereinric tung Dosing device
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einer Dosiereinrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs.The invention is based on a metering device according to the preamble of the main claim.
Bei brennstoffzellengestützten Transportsystemen kommen zur Gewinnung des benötigten Wasserstoffs aus kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoffen wie beispielsweise Benzin, Ethanol oder Methanol sog. chemische Reformer zum Einsatz. Zur Wärmeerzeugung, insbesondere in Kaltstartphasen, kommen katalytische Brenner und Nachbrenneinrichtungen zum Einsatz.In fuel cell-based transport systems, chemical reformers are used to obtain the required hydrogen from hydrocarbon-containing fuels such as gasoline, ethanol or methanol. Catalytic burners and afterburners are used to generate heat, especially in cold start phases.
Alle vom Reformer zum Reaktionsablauf benötigten Stoffe, wie z.B. Luft, Wasser und Kraftstoff, werden dem Reaktionsbereich idealerweise in gasförmigem oder zumindest zerstäubtem Zustand zugeführt. Da aber die Kraftstoffe, wie z.B. Methanol oder Benzin, und Wasser, ' an Bord des TransportSystems vorzugsweise in flüssiger Form vorliegen, müssen sie erst, kurz bevor sie zum Reaktionsbereich des Reformers gelangen, aufbereitet werden. Dies erfordert beispielsweise eine Dosiereinrichtung, welche in der Lage ist, die entsprechenden Mengen Kraftstoff oder anderer Stoffe fein zerstäubt zur Verfügung zu stellen. Die für die chemische Reaktion, in welcher beispielsweise der Kraftstoff unter anderem zu Wasserstoff reformiert wird, notwendige Temperatur wird durch sogenannte Katbrenner oder Nachbrenneinrichtung zur Verfügung gestellt. Katbrenner sind Komponenten, welche mit einem Katalysator beschichtete Flächen aufweisen. In diesen katalytischen Brennern wird das Kraftstoff/Luftgemisch in Wärme und Abgase gewandelt, wobei die entstehende Wärme beispielsweise über die Mantelflächen und/oder über den warmen Abgasstrom an die entsprechenden Komponenten, wie beispielsweise den chemischen Reformer oder einen Verdampfer, geführt wird.All substances required by the reformer for the reaction process, such as air, water and fuel, are ideally supplied to the reaction area in a gaseous or at least atomized state. But as the fuel, such as methanol or gasoline, and water are preferably present, 'on board of the transport system in liquid form, they must first just before they reach the reaction region of the reformer, are prepared. This requires, for example, a metering device which is able to provide the corresponding amounts of fuel or other substances in a finely atomized form. The temperature required for the chemical reaction in which, for example, the fuel is reformed into hydrogen, among other things, is provided by so-called cat burners or afterburners. Cat burners are components that have surfaces coated with a catalyst. The fuel / air mixture is converted into heat and exhaust gases in these catalytic burners, the heat generated being conducted, for example, to the corresponding components, such as the chemical reformer or an evaporator, via the jacket surfaces and / or the warm exhaust gas flow.
Die Umsetzung des Kraftstoffs in Wärme ist stark von derThe conversion of the fuel into heat is very different from that
Größe der Kraftstofftropfchen, welche auf die katalytische Schicht auftreffen, abhängig. Je kleiner die Tropfchengröße ist und je gleichmäßiger die katalytische Schicht mit denSize of the fuel droplets that hit the catalytic layer depends. The smaller the droplet size and the more uniform the catalytic layer with the
Kraftstofftropfchen benetzt wird, desto vollständiger wird der Kraftstoff in Wärme gewandelt und desto höher ist derFuel droplets is wetted, the more completely the fuel is converted into heat and the higher the
Wirkungsgrad. Der Kraftstoff wird so zudem schneller umgesetzt und Schadstoffemissionen gemindert. Zu großeEfficiency. The fuel is also converted faster and pollutant emissions reduced. Too big
Kraftstoff ropfchen führen zu einer Belegung der katalytischen Schicht und damit zu einer nur langsamenFuel droplets lead to an occupation of the catalytic layer and thus to a slow one
Umsetzung. Dieses führt insbesondere in der Kaltstartphase beispielsweise zu einem schlechten Wirkungsgrad.Implementation. This leads to poor efficiency, for example, especially in the cold start phase.
Da der Wasserstoff zumeist sofort verbraucht wird, müssen die chemischen Reformer in der Lage sein, die Produktion von Wasserstoff verzögerungsfrei, z.B. bei Lastwechseln oder Startphasen, an die Nachfrage anzupassen. Insbesondere in der Kaltstartphase müssen zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden, da der Reformer keine Abwärme bereitstellt. Konventionelle Verdampfer sind nicht in der Lage, die entsprechenden Mengen an gasförmigen Reaktanden verzögerungsfrei zu erzeugen.Since the hydrogen is usually consumed immediately, the chemical reformers must be able to delay the production of hydrogen, e.g. to adapt to demand in the event of load changes or starting phases. Additional measures must be taken, especially in the cold start phase, since the reformer does not provide any waste heat. Conventional vaporizers are unable to produce the corresponding amounts of gaseous reactants without delay.
Es ist daher sinnvoll, den Kraftstoff gut aufbereitet durch eine Dosiereinrichtung in feinverteilter Form und/oder gut platziert an Orte und Flächen zu verteilen, an denen die Kraftstoffe gut verdampfen können, beispielsweise in den Reaktionsraum oder die Vormischkammer eines Reformers oder katalytischen Brenners, die Innenflächen eines zylindrischen Brennraums oder die inneren Mantelflächen eines Katbrenners. Darüber hinaus ist es sinnvoll, die Kraftstoffwölke hinsichtlich ihrer geometrischen Form, ihrer Ausbreitungsgeschwindigkeit und Drallausbildung dem Brennraum und den darin vorherrschenden Bedingungen anpassen zu können .It therefore makes sense to distribute the fuel in a well-prepared manner by means of a metering device in finely divided form and / or in a well-placed manner to locations and areas where the fuels can evaporate well, for example in the Reaction chamber or the premixing chamber of a reformer or catalytic burner, the inner surfaces of a cylindrical combustion chamber or the inner jacket surfaces of a cat burner. In addition, it makes sense to be able to adapt the fuel clouds with regard to their geometric shape, their speed of propagation and swirl formation to the combustion chamber and the conditions prevailing therein.
Beispielsweise sind aus der US 3,971,847 Vorrichtungen zur Eindosierung von Kraftstoffen in Reformer bekannt. Der Kraftstoff wird hier von vom Reformer relativ weit entfernten Zumeßeinrichtungen über lange Zumeßleitungen und eine einfache Düse in einen temperierten Stoffstrom zugemessen. Dabei trifft der Kraftstoff zuerst auf Prallbleche, die nach der Austrittsöffnung der Düse angeordnet sind, welche eine Verwirbelung und Verteilung des Kraftstoffs bewirkten sollen, und gelangt dann über eine relativ lange Verdampfungsstrecke, welche für den Verdampfungsprozess notwendig ist, in den Reaktionsbereich des Reformers . Durch die lange Zumeßleitung kann die Zumeßeinrichtung von thermischen Einflüssen des Reformers isoliert werden.For example, US 3,971,847 discloses devices for metering fuels into reformers. The fuel is metered here from metering devices, which are relatively far from the reformer, via long metering lines and a simple nozzle into a temperature-controlled material flow. The fuel first strikes baffles, which are arranged after the outlet opening of the nozzle, which are intended to cause swirling and distribution of the fuel, and then reaches the reaction area of the reformer via a relatively long evaporation path, which is necessary for the evaporation process. The metering device can be isolated from thermal influences of the reformer by the long metering line.
Nachteilig bei den aus der obengenannten Druckschrift bekannten Vorrichtungen ist insbesondere, daß unterhalb der Betriebstemperatur des Reformers, beispielsweise in einer Kaltstartphase, die Zerstäubung des Kraftstoffes nur unzureichend erfolgt und die Dosiereinrichtung sehr aufwendig und raumverbrauchend aufgebaut ist. Durch die dabei entstehende relativ geringe Reaktionsfläche zwischen Kraftstoff und Oxidant erfolgt die Verbrennung bzw. chemische Reaktion nur langsam und zumeist auch unvollständig. Der Wirkungsgrad sinkt dadurch deutlich und die Schadstoffemissionen steigen unvorteilhaft an. Unvollständige Verbrennung bzw. eine unvollständige chemische Reaktion führt meist zur Bildung von aggressiven chemischen Verbindungen, welche den chemischen Reformer bzw. die Nachbrenneinrichtung schädigen können und zu Ablagerungen, die die Funktion beeinträchtigen können. Die aufwendige und raumverbrauchende Konstruktion im Düsenbereich, wo die Zerstäubung erfolgt, führt zu hohen Herstellungs- und Betriebskosten, insbesondere infolge einer schlechteren Montagefreundlichkeit und höheren Fehleranf lligkeit .A disadvantage of the devices known from the abovementioned publication is, in particular, that the atomization of the fuel takes place insufficiently below the operating temperature of the reformer, for example in a cold start phase, and the metering device is constructed in a very complex and space-consuming manner. Due to the resulting relatively small reaction area between fuel and oxidant, the combustion or chemical reaction takes place slowly and mostly also incompletely. The efficiency drops significantly and the pollutant emissions increase disadvantageously. Incomplete combustion or an incomplete chemical reaction usually leads to the formation of aggressive chemical compounds, which can damage the chemical reformer or the afterburner Deposits that can impair the function. The complex and space-consuming construction in the nozzle area, where the atomization takes place, leads to high manufacturing and operating costs, in particular as a result of poorer ease of installation and greater susceptibility to errors.
Insbesondere lassen sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit, die geometrische Form und die Drallausbildung der durch die Düse und die Prallbleche erzeugten Kraftstoffwolke nur sehr unzureichend beeinflussen.In particular, the speed of propagation, the geometric shape and the swirl formation of the fuel cloud generated by the nozzle and the baffle plates can only be influenced to a very insufficient extent.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die erfindungsgemäße Dosiereinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Zerstäubung und Verteilung des Kraftstoffes bzw. des Kraftstoff-Gas-Gemisches wesentlich ' verbessert wird. Insbesondere können die Ausbreitungsgeschwindigkeit, die Drallausbildung und die geometrische Form der Kraftstoffwolke bzw. der Kraftstoff- Gas-Gemischwolke im Brennraum bzw. Zumeßraum vorteilhaft bestimmt werden. Dadurch kann beispielsweise die Kaltstartphase wesentlich verkürzt werden und schon während der Kaltstartphase der Wirkungsgrad der Nachbrenneinrichtung bzw. des chemischen Reformers deutlich gesteigert werden. Die Schadstoffemissionen sind dabei wesentlich reduziert. Durch die erfindungsgemäße Dosiereinrichtung ist es weiterhin möglich, die Dosiereinrichtung sehr einfach, zuverlässig damit kostengünstig herzustellen. Außerdem können standardisierte serienmäßig gefertigte Bauteile verwenden werden.In contrast, the metering device according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage that the atomization and distribution of the fuel of the fuel-gas mixture is improved significantly 'or. In particular, the speed of propagation, the swirl formation and the geometric shape of the fuel cloud or the fuel-gas mixture cloud in the combustion chamber or metering chamber can advantageously be determined. In this way, for example, the cold start phase can be significantly shortened and the efficiency of the afterburner or the chemical reformer can be significantly increased even during the cold start phase. The pollutant emissions are significantly reduced. The metering device according to the invention also makes it possible to manufacture the metering device very simply, reliably and cost-effectively. In addition, standardized mass-produced components can be used.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Dosiereinrichtung möglich.The measures listed in the subclaims allow advantageous developments of the metering device specified in the main claim.
In einer ersten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Dosiereinrichtung weist der Düsenkörper ein stromaufwärtiges Zuführungsrohr und ein stromabwärtiges Trägerelement auf, wobei beide rohrförmig, insbesondere zylinderrohrförmig, sind und hydraulisch dicht durch Schweißen oder Laserschweißen miteinander verbunden sind. Dadurch lassen sich beide Teile leicht und damit kostengünstig herstellen und jeweils getrennt gemäß den jeweiligen Anforderung kostengünstig herstellen.In a first development of the metering device according to the invention, the nozzle body has an upstream Supply pipe and a downstream support element, both of which are tubular, in particular cylindrical, and are connected to one another hydraulically tight by welding or laser welding. As a result, both parts can be produced easily and therefore cost-effectively and can be produced cost-effectively separately according to the respective requirement.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der Dralleinsatz mit dem Trägerelement insbesondere durch Pressen, Schweißen oder Laserschweißen hydraulisch dicht gefügt. Dadurch lassen sich besonders feste, zuverlässige und kostengünstige Fügeverbindungen herstellen.In a further advantageous development, the swirl insert with the carrier element is hydraulically sealed, in particular by pressing, welding or laser welding. This enables particularly firm, reliable and cost-effective joining connections to be made.
Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn der Dralleinsatz ein zumindest eine Abspritzöffnung aufweisendes Sitzelement und ein Drallelement aufweist. Die Teile des Dralleinsatzes lassen sich so einfach und kostengünstig verschiedenen Belastungen und Bedingungen anpassen.It is also advantageous if the swirl insert has a seat element having at least one spray opening and a swirl element. The parts of the swirl insert can be easily and inexpensively adapted to different loads and conditions.
Vorteilhaft ist es außerdem, das Drallelement scheibenförmig auszuführen. Dadurch kann es insbesondere leicht bearbeitet werden. Darüber hinaus weist das Drallelement vorteilhafterweise eine durchgängige Öffnung auf, durch welche die Drallentwicklung und Drallausbildung vorteilhaft beeinflußt werden kann.It is also advantageous to design the swirl element in the form of a disk. This makes it particularly easy to edit. In addition, the swirl element advantageously has a continuous opening through which the swirl development and swirl formation can be advantageously influenced.
Weitergebildet werden kann die erfindungsgemäße Dosiereinrichtung außerdem, indem das Drallelement durch Schweißen oder Laserschweißen mit dem Sitzelement gefügt wird. Dadurch sind kostengünstige Herstellungsschritte und zuverlässige und feste Fügeverbindungen realisierbar.The metering device according to the invention can also be developed by joining the swirl element to the seat element by welding or laser welding. This enables cost-effective production steps and reliable and firm joining connections to be realized.
Vorteilhaft ist es zudem, zwischen dem Drallelement und dem Sitzelement ein Zwischenelement anzuordnen. Dadurch kann das Drallelement vom Sitzelement beabstandet werden, um so die Dralleigenschaften vorteilhaft zu beeinflussen. Vorteilhafterweise ist das Drallelement mit einem Abstand von der Wandung des Trägerelements angeordnet . Dadurch kann der Kraftstoffzufluß in das Drallelement ungehindert erfolgen und auch von der Seite der Wandung des Trägerelements erfolgen, um insbesondere die Drallbildung zu verstärken .It is also advantageous to arrange an intermediate element between the swirl element and the seat element. As a result, the swirl element can be spaced from the seat element in order to advantageously influence the swirl properties. The swirl element is advantageously arranged at a distance from the wall of the carrier element. As a result, the fuel can flow into the swirl element unhindered and also from the side of the wall of the carrier element, in particular to increase the swirl formation.
Vorteilhafterweise wird die Öffnung des Drallelements wenigstens teilweise mit einem Einsatz verschlossen. Die Dralleigenschaften lassen sich so weiter verbessern bzw. den jeweiligen Bedingungen und Anforderungen anpassen. Der Einsatz ist vorteilhafterweise zudem mit dem Drallelement durch Schweißen oder Laserschweißen verbunden.The opening of the swirl element is advantageously at least partially closed with an insert. The swirl properties can be further improved or adapted to the respective conditions and requirements. The insert is advantageously also connected to the swirl element by welding or laser welding.
Die Öffnung weist zudem eine Öffnungslängsachse auf, welche einen in Strömungsrichtung des Kraftstoffes bzw. des Kraftstoff-Gas-Gemisches liegenden Richtungsanteil aufweist.The opening also has an opening longitudinal axis, which has a directional component lying in the direction of flow of the fuel or the fuel-gas mixture.
Das Drallelement weist vorteilhafterweise zumindest einen Drallkanal auf, welcher zur Öffnungslängsachse einen radialen und tangentialen Richtungsanteil aufweist.The swirl element advantageously has at least one swirl channel which has a radial and tangential directional component with respect to the longitudinal axis of the opening.
Vorteilhafterweise sind die Zumeßleitung und dieThe metering line and the
Zumeßeinrichtung durch einen Adapter hydraulisch dicht und lösbar gefügt. Dadurch erhöht sich die Montagefreundlichkeit .Metering device hydraulically sealed and detachably joined by an adapter. This increases the ease of installation.
In einer weiteren Weiterbildung weist der die Zumeßleitung und die Zumeßeinrichtung verbindende Adapter eine LuftZuführung auf, wobei die LuftZuführung im Adapter mit der Zumeßleitung verbunden ist. Dadurch läßt sich bereits in der Zumeßleitung die Gemischaufbereitung einleiten, wobei der in die Zumeßleitung eingemessene Kraftstoff und/oder das eingemessene Gas mit Luft gemischt wird. Die Zerstäubung und Gemischbildung von Kraftstoff und/oder dem eingemessenen Gas mit Luft wird dadurch insgesamt verbessert . Darüber hinaus kann durch die LuftZuführung die Zumeßleitung von unerwünschten Kraftstoff- bzw. Gasresten befreit werden, indem diese beispielsweise mit Luft durch die LuftZuführung, vor beispielsweise einer Stop- oder Leerlaufphase, ausgeblasen werden. Dadurch läßt sich eine unkontrollierte Abgabe von Kraftstoff in den Zumeßraum oder die Umwelt verhindern.In a further development, the adapter connecting the metering line and the metering device has an air supply, the air supply in the adapter being connected to the metering line. As a result, the mixture preparation can already be initiated in the metering line, the fuel and / or the metered gas being mixed into the metering line being mixed with air. The atomization and mixture formation of fuel and / or the measured gas with air is thereby improved overall. In addition, the metering line can be freed from unwanted fuel or gas residues by the air supply, for example by supplying air through the air supply, before a stop or idle phase, for example. This can prevent uncontrolled delivery of fuel into the metering room or the environment.
Vorteilhafterweise wird als Zumeßeinrichtung ein Brennstoffeinspritzventil eingesetzt, wie es z.B. für Hubkolbenmaschinen mit innerer Verbrennung benutzt wird. Der Einsatz solcher Ventile hat mehrere Vorteile. So lassen sie eine besonders genaue Steuerung bzw. Regelung der Kraftstoffzumessung zu, wobei die Zumessung über mehrere Parameter, wie z.B. Tastverhältnis, Taktfrequenz und ggf. Hublänge, gesteuert werden kann. Dabei ist die Abhängigkeit vom Pumpendruck weit weniger ausgeprägt, als bei Zumeßeinrichtungen, die über den Leitungsquerschnitt den Volumenstrom des Kraftstoffs steuern und der Dosierbereich ist deutlich größer.A fuel injection valve is advantageously used as the metering device, as it is e.g. is used for reciprocating internal combustion engines. The use of such valves has several advantages. They allow a particularly precise control or regulation of the fuel metering, the metering using several parameters, such as Duty cycle, clock frequency and possibly stroke length can be controlled. The dependence on the pump pressure is far less pronounced than in metering devices which control the volume flow of the fuel via the line cross section and the metering range is significantly larger.
Darüber hinaus sind die Brennstoffeinspritzventile vielfach bewährte, in ihrem Verhalten bekannte, kostengünstige, gegenüber den verwendeten Kraftstoffen chemisch stabile und zuverlässige Bauteile, wobei dies im besonderen für sog. Niederdruck-Brennstoffeinspritzventile zutrifft, die aufgrund der thermischen Entkopplung durch die Zumeßleitung hier gut einsetzbar sind.In addition, the fuel injectors are well-proven, well-known in their behavior, inexpensive, chemically stable and reliable components compared to the fuels used, this being particularly true for so-called low-pressure fuel injectors, which can be used well here due to the thermal decoupling through the metering line.
Die Zumeßleitung weist vorteilhafterweise eine Anzahl wandstärkereduzierter Stellen auf, die die Wärmeleitfähigkeit der Zumeßleitung herabsetzten bzw. auch als Kühlkörper dienen können.The metering line advantageously has a number of points with reduced wall thickness, which reduce the thermal conductivity of the metering line or can also serve as a heat sink.
Durch den mehrteiligen Aufbau der Dosiereinrichtung ist eine kostengünstige Herstellung und der Einsatz von standardisierten Bauteilen möglich.The multi-part construction of the dosing device enables cost-effective production and the use of standardized components.
Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:drawing Embodiments of the invention are shown in simplified form in the drawing and explained in more detail in the following description. Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Dosiereinrichtung,1 shows a schematic illustration of a first exemplary embodiment of a metering device according to the invention,
Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung des Düsenkörpers des ersten Ausführungsbeispiels,2 is a schematic sectional view of the nozzle body of the first embodiment,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Drallelements des ersten Ausführungsbeispiels,3 shows a schematic illustration of a swirl element of the first exemplary embodiment,
Fig.4 eine schematische Schnittdarstellung des Düsenkörpers eines zweiten Ausführungsbeispiels und4 shows a schematic sectional illustration of the nozzle body of a second exemplary embodiment and
Fig. 5 eine schematische Schnittdarstellung des Düsenkörpers eines dritten Ausführungsbeispiels .Fig. 5 is a schematic sectional view of the nozzle body of a third embodiment.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beispielhaft beschrieben. Die gezeigten Ausfuhrungsbeispiele der Dosiereinrichtung eignen sich insbesondere zur Dosierung und Aufbereitung von flüssigen Kraftstoffen und Luft in einen Hohlzylinder eines chemischen Reformers oder eine Nachbrenneinrichtung mit einem Sprühwinkel von weniger als 60°.Exemplary embodiments of the invention are described below by way of example. The exemplary embodiments of the metering device shown are particularly suitable for metering and conditioning liquid fuels and air into a hollow cylinder of a chemical reformer or an afterburner device with a spray angle of less than 60 °.
Ein in Fig. 1 dargestelltes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Dosiereinrichtung 1 ist in der Form einer Dosiereinrichtung 1 für die Verwendung von Niederdruck- Brennstoffeinspritzventilen ausgeführt. DieAn embodiment of a metering device 1 according to the invention shown in FIG. 1 is in the form of a metering device 1 for the use of low-pressure fuel injection valves. The
Dosiereinrichtung 1 eignet sich insbesondere zum Eintrag und zur Zerstäubung von Kraftstoff bzw. eines Kraftstoff-Gas - Gemisches in einen nicht dargestellten Zumeßraum eines nicht weiter dargestellten chemischen Reformers zur Gewinnung von Wasserstoff oder einer nicht weiter dargestellten Nachbrenneinrichtung zur Erzeugung von Wärme.Dosing device 1 is particularly suitable for the entry and atomization of fuel or a fuel-gas mixture into a metering space, not shown, of a chemical reformer, not shown, for obtaining Hydrogen or an afterburner, not shown, for generating heat.
Die Dosiereinrichtung 1 besteht aus einer Zumeßeinrichtung 2, welche in diesem Ausführungsbeispiel als Niederdruck- Brennstoffeinspritzventil ausgeführt ist, einem Adapter 6 zur Aufnahme der Zumeßeinrichtung 2 und einer rohrförmigen, beispielsweise 10 bis 100 cm langen Zumeßleitung 8, einer LuftZuführung 9 und einem Düsenkörper 7. Die Zumeßeinrichtung 2 ist rohrformig und weist an ihrer Oberseite einen Kraftstoffanschluß 13 auf. Seitlich weist die Zumeßeinrichtung 2 einen elektrischen Anschluß 5 auf. An der Unterseite der Zumeßeinrichtung 2 erfolgt die Zumessung von Kraftstoff' oder eines Kraftstoff-Gas-Gemisches in die Zumeßleitung 8, wobei der Adapter 6 die Zumeßeinrichtung 2 und die Zumeßleitung 8 nach außen hydraulisch dicht miteinander verbindet. Die rohrförmige Luftzuführung 9 mündet in den Adapter 6 und steht so mit der Zumeßleitung 8 in Verbindung .The metering device 1 consists of a metering device 2, which is designed in this embodiment as a low-pressure fuel injector, an adapter 6 for receiving the metering device 2 and a tubular, for example 10 to 100 cm long metering line 8, an air supply 9 and a nozzle body 7. Die Metering device 2 is tubular and has a fuel connection 13 on its upper side. The metering device 2 has an electrical connection 5 on the side. On the underside of the metering device 2, fuel or a fuel-gas mixture is metered into the metering line 8, the adapter 6 hydraulically sealingly connecting the metering device 2 and the metering line 8 to the outside. The tubular air supply 9 opens into the adapter 6 and is thus connected to the metering line 8.
Das der Zumeßleitung 8 zugewandte hohlzylindrisch geformte Ende des Düsenkörpers 7 ist über ein hohlzylindrisch geformtes erstes Verbindungselement 10.1 mit der Zumeßleitung 8 hydraulisch dicht verbunden. Die Zumeßleitung 8 selbst besteht beispielsweise aus einem standardisierten, aus Edelstahl bestehenden, Metallrohr. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Zumeßleitung 8 zweiteilig ausgeführt, wobei der dem Adapter 6 zugewandte Teil der Zumeßleitung 8 durch ein zweites Verbindungselement 10.2 mit dem dem Düsenkörper 7 zugewandten Teil der Zumeßleitung 8 verbunden ist.The hollow cylindrical end of the nozzle body 7 facing the metering line 8 is hydraulically tightly connected to the metering line 8 via a hollow cylindrical first connecting element 10.1. The metering line 8 itself consists, for example, of a standardized metal tube made of stainless steel. In this exemplary embodiment, the metering line 8 is designed in two parts, the part of the metering line 8 facing the adapter 6 being connected by a second connecting element 10.2 to the part of the metering line 8 facing the nozzle body 7.
Der untere Teil der Zumeßeinrichtung 2 greift in den Adapter 6 ein und ist durch ein Befestigungselement 3 in Form einer Klammer hydraulisch dicht mit dem Adapter 6 verbunden.The lower part of the metering device 2 engages in the adapter 6 and is hydraulically tightly connected to the adapter 6 by a fastening element 3 in the form of a clamp.
Der Düsenkörper 7 weist in seinem abspritzseitigen der Zumeßleitung 8 abgewandten Ende einen in Fig. 2 dargestellten Dralleinsatz 24 mit zumindest einer Abspritzöffnung 14 auf.In its spray-side end facing away from the metering line 8, the nozzle body 7 has one in FIG. 2 shown swirl insert 24 with at least one spray opening 14.
Der Zumeßeinrichtung 2 wird über den an der Oberseite der Zumeßeinrichtung 2 liegenden Kraftstoffanschluß 13 Kraftstoff, beispielsweise Benzin, Ethanol oder Methanol, von einer nicht dargestellten Kraftstoffpumpe und Kraftstoffleitung druckbehaftet zugeführt. Der Kraftstoff strömt bei Betrieb der Dosiereinrichtung 1 nach unten und wird durch den im unteren Ende der Zumeßeinrichtung 2 liegenden nicht dargestellten Dichtsitz in bekannter Weise durch Öffnen und Schließen des Dichtsitzes in die Zumeßleitung 8 eingemessen. Durch die über den Adapter 6 in die Zumeßleitung 8 mündende Luftzuführung 9 können zur Gemischaufbereitung Luft oder andere Gase, beispielsweise brennbare Restgase aus einem Reformierungs- oder Brennstoffzellenprozeß, zugeführt werden. Im weiteren Verlauf strömt der Kraftstoff bzw. das Kraftstof -Gas- Gemisch durch die Zumeßleitung 8 zum Düsenkörper 7 und wird dort durch die in Fig. 2 dargestellte Abspritzöffnung 14 in den nicht dargestellten Zumeßraum drallbehaftet eindosiert.The metering device 2 is supplied with fuel, for example gasoline, ethanol or methanol, via the fuel connection 13 located on the top of the metering device 2, under pressure from a fuel pump and fuel line, not shown. The fuel flows down during operation of the metering device 1 and is measured into the metering line 8 in a known manner by opening and closing the sealing seat through the sealing seat (not shown) located in the lower end of the metering device 2. Air or other gases, for example combustible residual gases from a reforming or fuel cell process, can be supplied through the air supply 9 opening into the metering line 8 via the adapter 6. In the further course, the fuel or the fuel-gas mixture flows through the metering line 8 to the nozzle body 7, where it is metered into the metering chamber (not shown) in a swirling manner through the spray opening 14 shown in FIG. 2.
Durch die LuftZuführung 9 kann außerdem Luft zur kontrollierten Entleerung der Zumeßleitung 8, beispielsweise kurz vor einer Leerlauf- oder Stopphase, zugeführt werden.The air supply 9 can also supply air for controlled emptying of the metering line 8, for example shortly before an idling or stopping phase.
Durch die Zumeßleitung 8 wird die Zumeßeinrichtung 2, insbesondere der gegenüber hohen Temperaturen und großen Temperaturschwankungen empfindliche nicht dargestellte Dichtsitz der Zumeßeinrichtung 2, thermisch von den Temperaturen . im nicht dargestellten Zumeßraum, welche beispielsweise 500 °C betragen, entkoppelt. Die Länge, das Material und die Form der Zumeßleitung 8 werden insbesondere entsprechend den thermischen und räumlichen Gegebenheiten gewählt. Vorzugsweise kann die Zumeßleitung 8 auch wandstärkereduzierte Stellen aufweisen, welche zur thermischen Isolierung beitragen oder als Kühlkörper wirken können. Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des Düsenkörpers 7 des ersten Ausführungsbeispiels. Der Düsenkörper 7 besteht aus einem Trägerelement 15, einem Zuführungsrohr 17 und dem stromabwärtig im Trägerelement 15 angeordneten Dralleinsatz 24. Alle drei genannten Bauteile 15, 17, 24 sind jeweils zylindrisch und an einer Düsenkörperlängsachse 11 des Düsenkörpers 7 konzentrisch ausgerichtet .Through the metering line 8, the metering device 2, in particular the sealing seat of the metering device 2, which is not shown and is sensitive to high temperatures and large temperature fluctuations, is thermally affected by the temperatures. decoupled in the metering space, not shown, which, for example, is 500 ° C. The length, the material and the shape of the metering line 8 are chosen in particular in accordance with the thermal and spatial conditions. The metering line 8 can preferably also have points with reduced wall thickness, which can contribute to thermal insulation or act as a heat sink. Fig. 2 shows a schematic sectional view of the nozzle body 7 of the first embodiment. The nozzle body 7 consists of a carrier element 15, a feed pipe 17 and the swirl insert 24 arranged downstream in the carrier element 15. All three components 15, 17, 24 mentioned are each cylindrical and concentrically aligned on a longitudinal axis 11 of the nozzle body 7.
Das Zuführungsrohr 17, welches mit der in Fig. 1 gezeigten Zumeßleitung 8 durch das erste Verbindungselement 10.1 verbunden ist, ist an seinem stromabwärtigen Ende mit dem Trägerelement 15 durch eine erste Schweißnaht 18, welche durch Laserschweißen hergestellt ist, hydraulisch dicht gefügt. Die Fügeverbindung kann jedoch auch durch Pressen, Löten, Schweißen oder eine Schraubverbindung realisiert werden.The feed pipe 17, which is connected to the metering line 8 shown in FIG. 1 by the first connecting element 10.1, is hydraulically sealed at its downstream end to the carrier element 15 by a first weld 18, which is produced by laser welding. However, the joint connection can also be realized by pressing, soldering, welding or a screw connection.
Der sich im unteren stromabwärtigen Ende des Trägerelements 15 befindende Dralleinsatz 24 umfaßt ein Sitzelement 4 mit der darin mittig angeordneten Abspritzöffnung 14 und ein Drallelement 16 mit Drallkanälen 12 und einer mittig angeordneten Öffnung 25. Das Sitzelement 4 und das Drallelement 16 sind jeweils scheibenförmig ausgebildet. Die stromabwärts zeigende Scheibenunterseite des Drallelements 16 und die stromaufwärts gerichtete Scheibenoberseite des Sitzelements 4 liegen über ein Zwischenelement 22 aufeinander auf und sind mit einer vierten Schweißnaht 21, welche mit einem Laserschweißverfahren hergestellt ist, aneinander gefügt. Das Zwischenelement 22 beabstandet das Sitzelement 4 und das Drallelement 16. Zwischen den Seiten des Drallelements 16, welche zur Wandung des Trägerelements 15 zeigen und den Wandungen des Trägerelements 15 befindet sich ein Abstand 27.The swirl insert 24 located in the lower, downstream end of the carrier element 15 comprises a seat element 4 with the spray opening 14 arranged therein and a swirl element 16 with swirl channels 12 and a centrally arranged opening 25. The seat element 4 and the swirl element 16 are each disc-shaped. The downstream disk underside of the swirl element 16 and the upstream disk top of the seat element 4 rest on one another via an intermediate element 22 and are joined to one another with a fourth weld seam 21, which is produced using a laser welding process. The intermediate element 22 spaces the seat element 4 and the swirl element 16. There is a distance 27 between the sides of the swirl element 16 which face the wall of the carrier element 15 and the walls of the carrier element 15.
Eine Öffnungslängsachse 26 der Öffnung 25 deckt sich in diesem Ausführungsbeispiel mit der Düsenkörperlängsachse 11. Die Abspritzöffnung 14 im Sitzelement 4 ist zu beiden Achsen 26, 11 konzentrisch angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel greift ein stift- bzw. zylinderförmiger Einsatz 28 durch die Öffnung 25 des Drallelements 16 und verschließt dabei die Öffnung 25. Das stromabwärtige Ende des Einsatzes 28 liegt jedoch nicht auf dem Sitzelement 4 auf. In dieser Weise kann der Kraftstoff bzw. das Kraftstoff-Gas-Gemisch nur durch die im Drallelement 16 angeordneten Drallkanäle 12 zur stromabwärtig des Drallelements 16 gelegenen Abspritzöffnung 14 gelangen. Der Einsatz 28 ist entlang seines Außenumfangs an der Scheibenoberseite des Drallelements 16 durch eine dritte Schweißnaht 20 am Drallelement 16 hydraulisch dicht befestigt .In this exemplary embodiment, a longitudinal opening axis 26 of the opening 25 coincides with the longitudinal axis 11 of the nozzle body. The spray opening 14 in the seat element 4 is arranged concentrically with both axes 26, 11. In this In the exemplary embodiment, a pin-shaped or cylindrical insert 28 grips through the opening 25 of the swirl element 16 and closes the opening 25. However, the downstream end of the insert 28 does not rest on the seat element 4. In this way, the fuel or the fuel-gas mixture can only reach the spray opening 14 located downstream of the swirl element 16 through the swirl channels 12 arranged in the swirl element 16. The insert 28 is fastened hydraulically tight along its outer circumference on the upper side of the disk of the swirl element 16 by a third weld 20 on the swirl element 16.
Der Dralleinsatz 24 ist am Sitzelement 4 durch eine zweite Schweißnaht 19, welche durch ein Laserschweißverfahren hergestellt ist, am Trägerelement 15 hydraulisch dicht befestigt, wobei die zweite Schweißnaht 19 etwa am Außenumfang des Sitzelements 4 verläuft.The swirl insert 24 is hydraulically sealed to the support element 15 on the seat element 4 by a second weld 19, which is produced by a laser welding process, the second weld 19 running approximately on the outer circumference of the seat element 4.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Drallelements 16 des ersten Ausführungsbeispiels von einem stromaufwärtigen auf der Öffnungslängsachse 26 liegenden Punkt . Die vier Drallkanäle 12 verlaufen in dem scheiben- und kreisscheibenförmigen Drallelement 16 mit einem radialen und tangentialen Richtungsanteil zur Öffnungslängsachse 26 der Öffnung 25. Der Kraftstoff bzw. das Kraftstoff-Gas- Gemisch tritt dabei an der stromaufwärtigen Scheibenoberseite des Drallelements 16 nahe des Außenumfangs des Drallelements 16 und an den Seiten des Drallelements 16 in die Drallkanäle 12 ein. Der Kraftstoff bzw. das Kraftstoff-Gas-Gemisch wird dann innerhalb des Drallelements 16 durch die Drallkanäle 12 zur mittig gelegenen Öffnung 25 geleitet, wo der Kraftstoff an der Scheibenunterseite des Drallelements 16 nahe der Öffnung 25 drallbehaftet austritt und zur in Fig. 2 gezeigten Abspritzöffnung 14 strömt.FIG. 3 shows a schematic illustration of a swirl element 16 of the first exemplary embodiment from an upstream point lying on the opening longitudinal axis 26. The four swirl channels 12 run in the disk-shaped and circular disk-shaped swirl element 16 with a radial and tangential directional component to the opening longitudinal axis 26 of the opening 25. The fuel or the fuel-gas mixture occurs on the upstream disk top of the swirl element 16 near the outer circumference of the swirl element 16 and on the sides of the swirl element 16 into the swirl channels 12. The fuel or the fuel-gas mixture is then conducted within the swirl element 16 through the swirl channels 12 to the centrally located opening 25, where the fuel exits on the underside of the swirl element 16 near the opening 25 and to the spray opening shown in FIG. 2 14 flows.
Fig. 4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des Düsenkörpers 7 eines zweiten Ausfuhrungsbeispiels der erfindungsgemäßen Dosiereinrichtung 1, ähnlich der des ersten Ausführungsbeispiels aus Fig. 2. Im Unterschied zum Ausfuhrungsbeispiel aus Fig. 2 fehlt im wesentlichen jedoch das Zwischenelement 22. Außerdem weist das zum Dralleinsatz 24 gehörende Sitzelement 4 mehrere Abspritzöffnungen 14 mit unterschiedlichen Neigungswinkeln auf.Fig. 4 shows a schematic sectional view of the nozzle body 7 of a second exemplary embodiment of the metering device 1 according to the invention, similar to that of the 2. In contrast to the exemplary embodiment from FIG. 2, the intermediate element 22 is essentially missing. In addition, the seat element 4 belonging to the swirl insert 24 has a plurality of spray openings 14 with different angles of inclination.
Das zum Beabstanden von Drallelement 16 und Sitzelement 4 verwendete Zwischenelement 22 ist durch eine mittig in der stromaufwärtigen Scheibenoberseite des Sitzelements 4 angeordnete Ausnehmung 29 ersetzt, wobei das Drallelement 16 auf dem dabei auf der Scheibenoberseite des Sitzelements 4 entstandenen Ring 30 aufliegt.The intermediate element 22 used for spacing the swirl element 16 and the seat element 4 is replaced by a recess 29 arranged centrally in the upstream disk upper side of the seat element 4, the swirl element 16 resting on the ring 30 formed on the disk upper side of the seat element 4.
Fig. 5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des Düsenkörpers 7 eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Dosiereinrichtung 1, wobei dieses Ausführungsbeispiel dem aus Fig. 4 sehr ähnelt. Im Unterschied zum zweiten Ausführungsbeispiel von Fig. 4 fehlt jedoch der Einsatz 28. Der Kraftstoff bzw. das Kraftstoff- Gas-Gemisch kann in dieser Weise durch die Öffnung 25 und durch die Drallkanäle 12 zu den Abspritzöffnungen 14 strömen . FIG. 5 shows a schematic sectional illustration of the nozzle body 7 of a third exemplary embodiment of the metering device 1 according to the invention, this exemplary embodiment being very similar to that from FIG. 4. In contrast to the second exemplary embodiment of FIG. 4, however, the insert 28 is missing. The fuel or the fuel / gas mixture can flow in this way through the opening 25 and through the swirl channels 12 to the spray openings 14.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Dosiereinrichtung (1) für flüssige Kraftstoffe, insbesondere zum Eintrag in einen chemischen Reformer zur1. Dosing device (1) for liquid fuels, in particular for entry into a chemical reformer
Gewinnung von Wasserstoff oder in eine Nachbrenneinrichtung zur Erzeugung von Wärme, mit zumindest einerObtaining hydrogen or in an afterburner for generating heat, with at least one
Zumeßeinrichtung (2) zum Zumessen von Kraftstoff in eineMetering device (2) for metering fuel into a
Zumeßleitung (8) und mit einem sich an die Zumeßleitung (8) anschließenden Düsenkörper (7) der zumindest eineMetering line (8) and with at least one nozzle body (7) adjoining the metering line (8)
Abspritzöffnung (14) aufweist, die in einen Zumeßraum ausmündet , dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenkörper (7) stromabwärtig ein Trägerelement (15) mit einem abspritzseitig angeordneten Dralleinsatz (24) aufweist, in welchem die zumindest eine Abspritzöffnung (14) angeordnet ist .Injection opening (14) which opens into a metering space, characterized in that the nozzle body (7) has a support element (15) downstream with a swirl insert (24) arranged on the injection side, in which the at least one injection opening (14) is arranged.
2. Dosiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenkörper (7) stromaufwärtig des Trägerelements (15) ein rohrförmiges, insbesondere zylinderrohrförmiges , Zuführungsrohr (17) aufweist, welches stromabwärtig mit dem rohrförmigen, insbesondere zylinderrohrför igen, Trägerelement (15) hydraulisch dicht verschweißt, insbesondere laserverschweißt, ist.2. Dosing device according to claim 1, characterized in that the nozzle body (7) upstream of the carrier element (15) has a tubular, in particular cylindrical, feed tube (17) which is hydraulically sealed downstream of the tubular, in particular zylinderrohrför, carrier element (15) welded, in particular laser welded.
3. Dosiereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dralleinsatz (16) mit dem Trägerelement (15) insbesondere durch Pressen oder Schweißen, insbesondere Laserschweißen, hydraulisch dicht gefügt ist.3. Dosing device according to claim 1 or 2, characterized in that that the swirl insert (16) is hydraulically sealed to the carrier element (15), in particular by pressing or welding, in particular laser welding.
4. Dosiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dralleinsatz (24) zumindest ein Sitzelement (4) mit der zumindest einen Abspritzöffnung (14) und ein stromaufwärts des Sitzelements (4) angeordnetes Drallelement (16) aufweist.4. Dosing device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the swirl insert (24) has at least one seat element (4) with the at least one spray opening (14) and an upstream of the seat element (4) arranged swirl element (16).
5. Dosiereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Drallelement (16) scheibenförmig ist.5. Dosing device according to claim 4, characterized in that the swirl element (16) is disc-shaped.
6. Dosiereinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Drallelement (16) eine durchgängige Öffnung (25) aufweist .6. Dosing device according to claim 4 or 5, characterized in that the swirl element (16) has a continuous opening (25).
7. Dosiereinrichtung nach einem der Ansprüche 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (25) wenigstens , eilweise durch einen Einsatz (28) verschlossen ist.7. Dosing device according to one of claims 6, characterized in that the opening (25) is at least partially closed by an insert (28).
8. Dosiereinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (28) mit dem Drallelement (16) durch8. Dosing device according to claim 7, characterized in that the insert (28) with the swirl element (16) through
Schweißen, insbesondere Laserschweißen, verbunden istWelding, especially laser welding, is connected
9. Dosiereinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (25) eine Öffnungslängsachse (26) aufweist, welche einen in Strömungsrichtung zeigenden Richtungsanteil hat .9. Dosing device according to one of claims 6 to 8, characterized in that the opening (25) has an opening longitudinal axis (26) which has a directional component pointing in the direction of flow.
10. Dosiereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Drallelement (16) zumindest einen Drallkanal (12) aufweist, welcher zur Ö fnungslängsachse (26) liegende radialen und tangentialen Richtungsanteile aufweist.10. Dosing device according to claim 9, characterized in that the swirl element (16) has at least one swirl channel (12) which has radial and tangential directional components lying in relation to the opening longitudinal axis (26).
11. Dosiereinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Drallelement (16) durch Schweißen, insbesondere Laserschweißen, mit dem Sitzelement (4) verbunden ist.11. Dosing device according to one of claims 4 to 10, characterized in that the swirl element (16) is connected to the seat element (4) by welding, in particular laser welding.
12. Dosiereinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Drallelement (16) und Sitzelement (4) ein Zwischenelement (22) angeordnet ist.12. Dosing device according to one of claims 4 to 11, characterized in that an intermediate element (22) is arranged between swirl element (16) and seat element (4).
13. Dosiereinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Drallelement (16) von der Wandung des Trägerelements (15) mit einem Abstand (27) beabstandet ist.13. Metering device according to one of claims 4 to 12, characterized in that the swirl element (16) is spaced from the wall of the carrier element (15) by a distance (27).
14. Dosiereinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß die Zumeßleitung (8) und die Zumeßeinrichtung (2) durch einen Adapter (6)- hydraulisch dicht und lösbar gefügt sind.14. Dosing device according to one of the preceding claims, characterized in that the metering line (8) and the metering device (2) by an adapter (6) - are hydraulically sealed and detachably joined.
15. Dosiereinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Adapter (6) eine Luftzuführung (9) aufweist, die im15. Dosing device according to claim 14, characterized in that the adapter (6) has an air supply (9) which in
Adapter (6) mit der Zumeßleitung (8) in Verbindung steht.Adapter (6) is connected to the metering line (8).
16. Dosiereinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zumeßeinrichtung (2) ein Brennstoffeinspritzventil ist.16. Dosing device according to one of the preceding claims, characterized in that the metering device (2) is a fuel injection valve.
17. Dosiereinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffeinspritzventil ein Niederdruck- Brennstoffeinspritzventil ist, welches mit Brenn- bzw. Kraftstoffdrücken von bis zu 10 bar arbeitet.17. Dosing device according to one of the preceding claims, characterized in that that the fuel injector is a low-pressure fuel injector, which works with combustion or fuel pressures of up to 10 bar.
18. Dosiereinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zumeßleitung (8) in ihrem axialen Verlauf zumindest eine wandstärkereduzierte Stelle oder einen wandstärkereduzierten Bereich aufweist. 18. Dosing device according to one of the preceding claims, characterized in that the metering line (8) has in its axial course at least one reduced-wall point or a reduced-wall area.
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